CN108015597B - 一种小型自取能超声振动电主轴 - Google Patents

一种小型自取能超声振动电主轴 Download PDF

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Abstract

一种小型自取能超声振动电主轴属于震动切削领域，改变了传统钻削方式，具有不可替代的优势。该电主轴包括：变幅杆、端盖、压电陶瓷、电路盒、第一线圈、第二线圈、罩壳、定子、转子、内轴和磁铁；所述罩壳内部依次设置定子、转子和内轴，所述定子一端设置第二线圈，所述转子与内轴固定，所述内轴的一端安装多组磁铁，所述磁铁外设置第一线圈，通过端盖压紧；在所述端盖内部，设置与磁铁连接的电路板，通过电路板与所述压电陶瓷连接；所述压电陶瓷连的一端与变幅杆固定，做轴向往复运动；所述变幅杆的另一端与内轴固定，通过端盖实现压紧和与罩壳的固定。本发明体积小，整体质量轻，降低了主轴重量对加工精度的影响和设备投入成本以及人工成本。

Description

一种小型自取能超声振动电主轴
技术领域
本发明属于振动切削领域，具体涉及一种小型自取能超声振动电主轴。
背景技术
振动切削技术(UVAC)作为一种新颖的特种加工方法，其原理是通过给刀具(或工件)以适当的方向，一定的频率和振幅的振动，以改善其切削的脉冲切削方法。在加工硬脆材料时，通过对刀具低频或高频振动去除材料，增强切屑折断能力，提高工件加工质量和加工效率；降低平均切削力，提高刀柄刚度，延长刀具耐用度。超声振动钻削改变了传统钻削方式，在小孔和深孔加工方面，具有不可替代的优势，因此急需研究将高速切削与超声振动相结合的超声振动电主轴技术。现有的整体式超声振动电主轴所占空间大，质量大，对于装配平台负载能力，运行精度的要求高，装调难度大，增加了设备投入成本以及人工成本。
与本发明最接近的现有技术为申请号是201620440039X，发明名称为应用于超声振动加工的换能器。现有的整体式超声振动电主轴，无论是分体式超声波电主轴、高速超声波自动换刀电主轴、超声波气浮电主轴还是无线供电超声波旋转加工电主轴，其内部构件之间弹性连接较多，尤其是为电主轴端盖提供预紧力的连接处，大多利用弹簧预紧。由于超声换能器大多数安装在电主轴尾端，超声换能器所释放的振动能量部分被高速主轴吸收较多，振动能量不能最大化作用在功能端。若想使功能端装夹的切削刀具的振动频率以及振动幅值满足所需的加工精度要求，超声波发生器的实际输出功率要比超声振子起振所需的功率大。现在的整体式超声振动电主轴中，超声波换能器的输入能量均通过有线或者无线的方式从外部超声波发生器获得，复杂的走线设计降低了超声振动主轴的可靠性，有关自取能的超声振动电主轴的设计未见报道。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种小型自取能超声振动电主轴，在加工硬脆材料时，通过对刀具低频或高频振动去除材料，增强切屑折断能力，提高工件加工质量和加工效率；降低平均切削力，提高刀柄刚度，延长刀具耐用度。超声振动钻削改变了传统钻削方式，在小孔和深孔加工方面，具有不可替代的优势。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种小型自取能超声振动电主轴，该电主轴包括：变幅杆、端盖、压电陶瓷、电路板、第一线圈、第二线圈、罩壳、定子、转子、内轴、磁铁，所述罩壳内部依次设置定子、转子与内轴，所述定子一端设置第一线圈，所述转子与内轴固定，所述内轴的一端安装多组磁铁，所述磁铁外设置第二线圈，并通过端盖压紧，在所述端盖内部，设置与第二线圈连接的电路板，通过电路板与所述压电陶瓷连接，所述压电陶瓷的一端与变幅杆固定，带动变幅杆做轴向振动，所述变幅杆的另一端与内轴固定，通过端盖实现压紧和与罩壳的固定，固定在定子上的第一线圈接外电源通电，带动转子做切割磁感线运动，与转子固联的内轴通过所述电路板使压电陶瓷振动，通过变幅杆将振动放大，传递到所述变幅杆夹持的刀具上，所述刀具做旋转和轴向往复运动。
本发明的有益效果是：
本发明超声振动电主轴体积小，整体质量轻，降低了对安装平台受载能力等的方面的要求，降低了主轴重量对加工精度的影响，大大降低了设备投入成本以及人工成本。
本发明整体刚性好，利用压电陶瓷的振动为两端端盖提供预紧力，且超声换能器压电陶瓷组设置在主轴首端，直接与夹持刀具的变幅杆相接触，实际输出的振动能量损失小，超声振动效果好。
本发明具备自取能装置，简化了结构，增加了系统整体的可靠性与稳定性。
本发明完成了对外壁冷却回路以及电主轴油雾润滑回路的设计，提高散热效率，提高了电主轴工作的稳定性，延长了电主轴寿命。
附图说明
图1本发明一种小型自取能超声振动电主轴内部结构示意图。
图2本发明一种小型自取能超声振动电主轴自取能设备剖视图。
图3本发明一种小型自取能超声振动电主轴罩壳端部视图。
图4本发明一种小型自取能超声振动电主轴内轴视图。
图中：1、变幅杆，2、端盖，3、前端罩壳，4、压电陶瓷，5、隔片，6、压圈，7、变压器，8、第二线圈，9、内轴套筒，10、第一线圈，11、罩壳，12、定子，13、转子，14、内轴，15、尾部轴承支架，16、第一角接触轴承，17、进口冷却喷头，18、大冷却喷头，19、螺纹压圈，20、尾部压盖，21、通孔，22、第二角接触轴承，23、磁铁安装架，24、轴承压圈，25、磁铁，26、电路板和27、压电陶瓷支撑架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示一种小型自取能超声振动电主轴该电主轴包括：变幅杆1、端盖2、前端罩壳3、压电陶瓷4、隔片5、压圈6、变压器7、第二线圈8、内轴套筒9、第一线圈10、罩壳11、定子12、转子13、内轴14、尾部轴承支架15、第一角接触轴承16、进口冷却喷头17、大冷却喷头18、螺纹压圈19、尾部压盖20、通孔21、第二角接触轴承22、磁铁安装架23、轴承压圈24、磁铁25、电路板26和压电陶瓷支撑架27。所述罩壳11内部依次设置定子12、转子13和内轴14，所述定子12一端设置第一线圈10，所述转子13与内轴14固定；所述内轴14的一端安装多组磁铁25，所述磁铁25外设置第二线圈8，通过端盖2压紧；在所述端盖2内部，设置与磁铁25连接的电路板26，通过电路板26与所述压电陶瓷4连接；所述压电陶瓷4的一端与变幅杆1固定，做轴向往复运动；所述变幅杆1的另一端与内轴14固定，通过端盖2实现压紧和与前端罩壳3的固定；第一线圈10接外电源通电，由定子12、转子13和内轴14组成的电主轴转动带动磁铁25做切割磁感线运动。
所述电路板26与变压器7通过改变交流电频率使压电陶瓷4振动，通过变幅杆1将振动放大，传递到所述变幅杆1夹持的刀具上，所述刀具做旋转和轴向往复的运动。
以在厚度为2mm的钛合金薄板表面钻削内径为0.5mm的小孔为例。
变幅杆1前端为M10螺纹，内为锥度为20度的锥孔。
切削部分直径为0.1mm、刀身直径为3.2mm的钻头通过胀套与变幅杆1相连，变幅杆1是超声波振动系统中一个重要的组成部分，它在振动系统中的主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上即聚能；定子12、转子13和内轴14组成的电主轴，所述电主轴前端端盖2圆周与前端罩壳3通过均布的M3螺钉相连，前端端盖2中心孔与变幅杆1同轴为间隙配合，约有径向约有0.02mm的间隙。
变幅杆1与压电陶瓷支撑架27底部中心有m6的螺纹孔，与内轴端部的M6外螺纹相连，将压电陶瓷4压紧于变幅杆1与压电陶瓷支撑架27之间；压电陶瓷4整体为三片直径为30mm，内径为12mm，厚度为5mm的压电陶瓷环相叠加而成，每两片压电陶瓷环间加上绝缘层。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差(称之为正压电效应)，反之施加电压,则产生机械应力(称为逆压电效应)，此处利用的是压电陶瓷4的逆压电效应。
当磁铁安装架23随内轴14高速旋转时，均布在磁铁安装架23周向的四对圆柱磁铁25做切割磁感线运动，所产生的交流电流经过电路板26的整流电路转换为直流电流，再通过逆变电路转换为交流，此时电流的频率提高到压电陶瓷4所需的激励频率，经由变压器7转换为压电陶瓷4所需的激励电压值，电主轴的超声振动部分开始工作。
内轴14高速旋转时受到两点支撑，左侧为两个角接触轴承22面对面安装，第二角接触轴承22内环通过磁铁支撑架23与内轴14轴肩压紧，外环通过内轴套筒9以及轴承压圈24压紧，消隙效果好；右侧为单个第一角接触轴承16，内环通过内轴轴肩与M6螺纹压圈19压紧，外环通过尾部轴承支架15台阶以及尾部压盖20压紧。
尾部轴承支架15左端与定子12相接触，右端与主轴罩壳11端面通过均布的M3螺丝相连，尾部压盖20左侧与第一角接触轴承16外环接触，右端中心孔处M6内螺纹与大冷却喷头18的M6外螺纹相配合。在高速旋转下，为了减少内轴14受到的摩擦，避免热量过大导致电主轴工作稳定性下降，寿命降低，设置大冷却装置和小冷却装置对运动的部件进行冷却。在电主轴罩壳11侧表面圆周均布多个内径约为3mm的通道，所述通道流通方向蛇形排序，通过两个小冷却喷头中的进口冷却喷头17和出口冷却喷头，与罩壳11上的通道实现乳化冷却液的循环，所述进口冷却喷头17将冷却液注射进所述罩壳11的通道中，冷却液循环后从出口冷却喷头射出，实现主轴外壁的循环冷却。乳化液具有分离水分子的效果，能够减少冷却液对机械部件的腐蚀。
在变幅杆1与端盖2摩擦处，电主轴左端一对角接触轴承运动处，空心内轴14圆周均布有雾化通孔，高压润滑油通过大冷却喷头18射入内轴，润滑油通过内轴小孔雾化，对端盖2摩擦处以及多处轴承副进行润滑。

Claims (7)

1.一种小型自取能超声振动电主轴，其特征在于，该电主轴包括：变幅杆、端盖、压电陶瓷、电路板、第一线圈、第二线圈、罩壳、定子、转子、内轴、磁铁，所述罩壳内部依次设置定子、转子与内轴，所述定子一端设置第一线圈，所述转子与内轴固定，所述内轴的一端安装多组磁铁，所述磁铁外设置第二线圈，并通过端盖压紧，在所述端盖内部，设置与第二线圈连接的电路板，通过电路板与所述压电陶瓷连接，所述压电陶瓷的一端与变幅杆固定，带动变幅杆做轴向振动，所述变幅杆的另一端与内轴固定，通过端盖实现压紧和与罩壳的固定，固定在定子上的第一线圈接外电源通电，带动转子做切割磁感线运动，与转子固联的内轴通过所述电路板使压电陶瓷振动，通过变幅杆将振动放大，传递到所述变幅杆夹持的刀具上，所述刀具做旋转和沿轴向往复的运动。
2.根据权利要求1所述的一种小型自取能超声振动电主轴，其特征在于，该电主轴还包括进口冷却喷头和出口冷却喷头，所述罩壳为空心圆柱型结构，在其侧表面圆周均布多个通道，所述通道流通方向蛇形排序，所述进口冷却喷头将冷却液注射进所述罩壳的通道中，冷却液循环后从出口冷却喷头射出，实现主轴外壁的循环冷却。
3.根据权利要求1所述的一种小型自取能超声振动电主轴，其特征在于，该电主轴还包括大冷却喷头，所述内轴在轴承副位置周向均布雾化小孔，所述大冷却喷头通过与内轴端部的连接将润滑液注入到内轴内，润滑油通过内轴小孔雾化，实现对多处轴承的润滑。
4.根据权利要求1所述的一种小型自取能超声振动电主轴，其特征在于，所述定子、转子与内轴组成电主轴。
5.根据权利要求4所述的一种小型自取能超声振动电主轴，其特征在于，压电陶瓷设置在电主轴首端，直接与夹持刀具的变幅杆端面相接触。
6.根据权利要求1所述的一种小型自取能超声振动电主轴，其特征在于，该电主轴还包括磁铁安装架，所述磁铁在磁铁安装架内部周向均布。
7.根据权利要求1所述的一种小型自取能超声振动电主轴，其特征在于，该电主轴还包括变压器，所述变压器与电路板连接，改变交流电频率与电压，使压电陶瓷振动。
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